DE102005053634A1 - Brennstoffzelle mit integrierter Nachverbrennung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit integrierter Nachverbrennung des Anodenrestgases. Sie bezweckt einen kompakten Aufbau eines Brennstoffzellenaggregates und eine Verringerung der Wärmeverluste, was wesentlich zur Effizienz beiträgt. Dies wird erreicht, wenn die Nachverbrennung direkt in die Brennstoffzelle integriert ist, indem ein Kanal für die Abführung des Anodenrestgases und ein Kanal für das Oxidationsmittel vorgesehen sind, die unmittelbar im Anschluss an die elektrochemische Reaktion in einer Nachverbrennungszone zusammengeführt sind (Fig. 1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit integrierter Nachverbrennung des Anodenrestgases.
  • Ein Brennstoffzellenblock mit integrierter Nachverbrennung ist aus DE 103 10 642 A1 bekannt. Einem Brennstoffzellenstapel schließt sich direkt eine Nachverbrennungseinheit an. Eine Zwischenplatte im Anschluss an den Brennstoffzellenstapel mit Durchbrüchen leitet die Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel in die Nachverbrennungseinheit über. In DE 103 10 642 A1 ist auch beschrieben, dass mit der Nachverbrennungseinheit als weitere Elemente eines Brennstoffzellen-Aggregates eine Vorreformiereinheit und ein Wärmetauscher integriert werden können. Auch hier sorgen Zwischenplatten mit Durchbrüchen für die Überleitung der Gase von einer Einheit zu der nächsten. Statt zusätzlicher Zwischenplatten kann durch eine entsprechende Anordnung der Auslässe und Einlässe auch eine direkte Überleitung von einer Einheit zur nächsten erfolgen.
  • Mit dieser bekannten Lösung wird ein kompakter Aufbau eines Brennstoffzellenaggregates erreicht und die Wärmeverluste werden verringert, was wesentlich zur Effizienz beiträgt.
  • Es wurde nun gefunden, dass ein weiterer Sprung in der Entwicklung zu einem kompakten Brennstoffzellenaggregat erreicht wird, wenn die Nachverbrennung direkt in die Brennstoffzelle integriert ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dies erreicht, indem ein Kanal für die Abführung des Anodenrestgases und ein Kanal für das Oxidationsmittel vorgesehen sind, die unmittelbar im Anschluss an die elektrochemische Reaktion in einer Nachverbrennungszone zusammengeführt sind.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mündet der Kanal für das Anodenrestgas in dem Kanal für das Oxidationsmittel. Die Erfindung kann weiter ausgestaltet sein, indem an der Mündung der Abgasführung für das Anodenrestgas eine Vielzahl von Öffnungen angeordnet sind. Eine besonders günstige Ausgestaltungsform der Erfindung besteht darin, dass an der Mündung der Abgasführung für das Anodenrestgas ein poröser feuerfester Körper angeordnet ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass Sammelkammern für das Anodenrestgas vorgesehen sind, die mit dem Kanal für das Oxidationsmittel über eine Vielzahl von Öffnungen verbunden sind.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Brennstoffzellen in der Wiese alternierend im Brennstoffzellenstapel angeordnet, dass jeweils die Eintrittseite für das Oxida tionsmittel und das Brenngas einer Brennstoffzelle an die Nachverbrennungszone der nächsten Brennstoffzelle grenzt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass bei der alternierenden Anordnung der Brennstoffzellen außerdem eine Vorreformierungszone vorgesehen ist.
  • In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist beidseitig des Brennstoffzellen je ein Sammelkanal für Brenngas, für Oxidationsmittel und für Abgas vorgesehen, der durch Durchbrüche in den Bipolarplatten, den Rahmenplatten und den Endplatten gebildet ist und dass die Zuführkanäle für das Brenngas und das Oxidationsmittel und die Abgaskanäle durch Ausnehmungen, beginnend an den korrespondierenden Durchbrüchen in den Bipolarplatten, den Rahmenplatten und den Endplatten gebildet sind.
  • Durch die Erfindung tritt eine wesentliche Vereinfachung des Wärme- und Stoffmanagements ein. Allein durch die Menge der wärmeaufnehmenden Kathodenluft als Oxidationsmittel wird im Betrieb unter Berücksichtigung der Energiequelltherme aufgrund Aufheizung, Reformierung, elektrochemischer Reaktion und Nachverbrennung (entsprechend Zellbrennstoffausnutzungsgrad) die Stapeltemperatur eingestellt. Durch die Verringerung der Wärmeverluste ist selbst bei kleinen Brennstoffzellen-Aggregaten ein thermisch selbsterhaltender Betrieb möglich.
  • Eine Verringerung der Temperaturgradienten über der Stapelhöhe und damit der thermischen Spannungen sowie eine Verringerung von Temperaturspitzen in der Zelle und die Verbesserung des Wärmemanagements treten insbesondere bei höheren Brennstoffausnutzungsgraden, bei denen nur noch eine geringe Wärmemenge bei der Nachverbrennung frei wird, ein.
  • Darüber hinaus entfällt die Notwendigkeit zur Anodenrestgasausschleusung, so dass die Einzelzelle minimal nur 3 Gasanschlüsse (bei alternierend 6 pro Doppelzelle) benötigt. Statt bisher zwei Stoffströme wird nur einer aus der Zelle herausgeführt.
  • Eine wesentliche Verringerung der Bauteilanzahl und der Baugröße im System und damit des Montageaufwandes reduziert die Herstellungskosten für die Brennstoffzellensysteme.
  • Bei der alternierenden Anordnung ist darüber hinaus die thermische Wechselwirkung zwischen exothermer Nachverbrennung und endothermer Vorreformierung vorteilhaft.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen
  • 1 eine Schnittdarstellung einer Brennstoffzelle,
  • 2 eine Schnittdarstellung durch einen Brennstoffzellenstapel,
  • 3 eine Explosionsdarstellung zweier Brennstoffzellen, Sicht von oben,
  • 4 eine Explosionsdarstellung zweier Brennstoffzellen, Sicht von unten,
  • 5 einen Brennstoffzellenstapel mit 2 Brennstoffzellen mit Sammelkanälen für das Anodenrestgas im Schnitt,
  • 6 einen Teil eines Brennstoffzellenstapels in Explosionsdarstellung, Sicht von oben,
  • 7 einen Teil eines Brennstoffzellenstapels in Explosionsdarstellung, Sicht von unten.
  • 1 zeigt eine Brennstoffzelle. Diese wird durch zwei Bipolarplatten 1 begrenzt. Dazwischen befindet sich eine Rahmenplatte 2. In dieser Brennstoffzelle befinden sich eine Vorreformierungszone 3, eine Stromerzeugungszone 4 und eine Nachverbrennungszone 5. Die Stromerzeugungszone 4 besteht aus einem Membrane Electrolyte Assembly (MEA), welcher sich aus einem Elektrolyten 6 zusammensetzt, auf dem nach oben eine Kathode 7 und nach unten eine Anode 8 als Schicht aufgetragen sind. Zwischen den Bipolarplatten 1 und der Rahmenplatte 2 befinden sich oberhalb der Rahmenplatte der Kanal für das Oxidationsmittel 9 und unterhalb der Rahmenplatte 2 der Zuführkanal für das Brenngas 10. Der Zuführkanal für das Brenngas 10 läuft nach der Anode 8 in einen Kanal für das Anodenrestgas 11 aus. Im Bereich der Nachverbrennungszone 5 mündet der Kanal für das Anodenrestgas 11 in den Kanal für das Oxidationsmittel 9. Diese Stelle kann unterschiedlich ausgeführt sein, z. B. mit einzelnen Durchbrüchen wie dargestellt. Statt der Durchbrüche kann auch eine Vielzahl von Öffnungen oder ein poröser keramischer Körper vorgesehen sein. Hier schließt sich eine Wärmeaustauschzone 12 an, durch die der Abgaskanal 13 als Weiterführung des Kanals für das Oxidationsmittel geht.
  • 2 zeigt einen Schnitt durch einen Brennstoffzellenstapel, der aus mehreren Brennstoffzellen entsprechend 1 besteht. Hier ist ersichtlich, dass die Brennstoffzellen alternierend angeordnet sind. Die Bipolarplatten 1 verbinden die einzelnen Brennstoffzellen galvanisch und stellen auch den Wärmekontakt zueinander her. Durch die alternierende Anordnung kommt in einer Wärmeaustauschzone 12 die Nachverbrennungszone 5 einer Brennstoffzelle immer mit der Vorreformierungszone 3 einer benachbarten Brennstoffzelle über eine Bipolarplatte 1 in Kontakt. Diese Zellanordnung wiederholt sich in der erforderlichen Anzahl, um eine gewünschte elektrischen Stapelspannung zu erzeugen. Den Abschluss der Brennstoffzellenstapels bilden nicht dar gestellte Endplatten, die mit elektrischen Kontakten zur Ableitung der gewonnenen Elektroenergie versehen sind.
  • In 3 und 4 wird der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels mit alternierend angeordneten Brennstoffzellen verdeutlicht. Von oben nach unten sind angeordnet eine Bipolarplatte 1a für einen Gasstrom von rechts nach links auf ihrer Oberseite und einen Luftstrom von links nach rechts auf ihrer Unterseite, eine Rahmenplatte 2a mit den Funktionszonen für Reformierung, Elektrochemische Reaktion und Nachverbrennung von links nach rechts, eine Bipolarplatte 1b für einen Gasstrom von links nach rechts auf ihrer Oberseite und einen Luftstrom von rechts nach links auf ihrer Unterseite und eine weitere Rahmenplatte 2b mit der Funktionsanordnung von rechts nach links. Auf den Seiten der Platten sind jeweils Durchbrüche für den Sammelkanal für die Zuführung des Oxidationsmittels 14, Durchbrüche für den Sammelkanal für die Zuführung des Brenngases 15 und Durchbrüche für den Sammelkanal für das Abgas 16 angebracht. Ausnehmungen 17 sorgen jeweils für die Verbindung der Zuführkanäle für das Oxidationsmittel 9 bzw. das Brenngas 10 und der Abgaskanäle 13 mit den entsprechenden Bohrungen 14, 15, 16.
  • 5 zeigt ein Detail aus der aktiven Zone eines im Bereich der elektrochemisch aktiven Zone aufgeschnittenen Brennstoffzellenstapels. Gemäß dieser Ausführung sind die Zuführkanäle für das Brenngas 10 verzweigt als Vertiefungen in der Bipolarplatte 1 eingebracht. Im Abstand davon sind in der Bipolarplatte 1 Sammelkammern für das Anodenrestgas 18 vorgesehen. Mit der Bipolarplatte 1 steht der Elektrolyt 6 in Kontakt. Auf der anderen Seite der Bipolarplatte 1 befindet sich der Kanal für das Oxidationsmittel 9 der benachbarten Brennstoffzelle. Die Sammelkammern für das Anodenrestgas 18 sind über Durchbrüche in der Bipolarplatte 19 mit dem Kanal für das Oxidationsmittel 9 verbunden. Hier kommt es zur spontanen Nachverbrennung des Anodenrestgases.
  • In 6 und 7 wird der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels aus 5 mit alternierend angeordneten Brennstoffzellen verdeutlicht. Von oben nach unten sind abwechselnd angeordnet eine Bipolarplatte 1c für einen Gasstrom von rechts nach links auf ihrer Oberseite und einen Luftstrom von links nach rechts auf ihrer Unterseite, eine Rahmenplatte mit MEA 2c, eine Bipolarplatte 1d für einen Gasstrom von links nach rechts auf ihrer Oberseite und einen Luftstrom von rechts nach links auf ihrer Unterseite, eine weitere Rahmenplatte mit MEA 2c, eine Bipolarplatte 1c usw. je nach Anzahl der erforderlichen Zellen. Auf den Seiten der Platten sind jeweils Durchbrüche für den Sammelkanal für die Zuführung des Oxidationsmittels 14, Durchbrüche für den Sammelkanal für die Zuführung des Brenngases 15 und Durchbrüche für den Sammelkanal für das Abgas 16 angebracht. Ausnehmungen 17 sorgen jeweils für die Verbindung der Zuführkanäle für das Oxidationsmittel 9, der Zuführkanäle für das Brenngas 10 und der Abgaskanä le 13 mit den entsprechenden Bohrungen 14, 15, 16.
  • Als Brenngas kommt im Beispiel Erdgas, dass im wesentlichen Methan enthält, zum Einsatz. Es wird mit dem 2,5-fachen Volumenstrom an Wasserdampf befeuchtet. Das nun feuchte Brenngas, in der Zeichnung durch einen gepunkteten Pfeil dargestellt, strömt durch den Zuführkanal für Brenngas 10 in die Brennstoffzelle ein und gelangt in die Vorreformierungszone 3. Hier findet die Reformierungsreaktion praktisch bis zum chemischem Gleichgewicht statt. Dabei wird das Methan-Wasserdampf-Gemisch teilweise zu Wasserstoff und zu Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid umgesetzt. Gleichzeitig bildet in einem zweiten Reaktionsschritt die Shiftreaktion (auch Wassergasreaktion genannt) aus Kohlenmonoxid und Wasserdampf weitere Anteile Wasserstoff und Kohlendioxid. Dieses reformierte Gas gelangt nun in die Stromerzeugungszone.
  • Luft strömt durch den Kanal für das Oxidationsmittel 9 ein, in der Zeichnung durch einen dünnen gestrichelten Pfeil dargestellt und gelangt direkt in die Stromerzeugungszone 4.
  • In der Stromerzeugungszone 4 findet die elektrochemische Reaktion, das eigentliche Ziel der Brennstoffzelle, statt. Das aufgrund der beschriebenen Vorreformierung wasserstoffreiche Brenngas auf der Seite der Anode 8 ist vom Sauerstoffträger Luft auf der Seite der Kathode 7 durch den Elektrolyten 6 getrennt. Diese ist gas- und elektronendicht. Über sie findet nur der Ionenaustausch der Oxidation (O2–) statt, der notwendige Elektronenaustausch (2e–) verläuft dagegen in der entgegengesetzten Richtung über die Bipolarplatten 1 zu den Nachbarzellen bzw. an den Endplatten über den äußeren Laststromkreis. Die Reaktionen an der Anode 8 lauten daher H2 → 2H+ + 2e– und 2H+ + O2– → H2O, die korrespondierende Reaktion an der Kathode 7 lauten ½ O2 + 2e– → O2–.
  • Entsprechend des chemischen Gleichgewichtes wird an der Anode 8 durch Reformierung von vorhandenem Brenngas und durch die parallele Shiftreaktion permanent Wasserstoff nachgebildet.
  • Am Ende der Stromerzeugungszone 4 sind noch brennbare Bestandteile im Anoderestgas enthalten. Diese werden über den Kanal für das Anodenrestgas 11 abgeleitet und gelangen in der Nachverbrennungszone 5 in den Kanal für das Oxidationsmittel 9, wo die dargestellten Durchbrüche bzw. Vielzahl von Öffnungen oder poröse Keramikkörper für eine gute Verteilung sorgen. In einer spontan stattfindenden Nachverbrennung mit dem aufgrund hoher Luftzahlen beim Betrieb von SOFCs hinreichend vorhandenen Restsauerstoff findet der Komplettumsatz aller Restbrenngase statt.
  • Das Rauchgas wird anschließend durch den Abgaskanal 13 aus der Zelle ausgetragen (in der Zeichnung dick gestrichelt dargestellt).
  • Im Brennstoffzellenstapel (2) sind die Zellen abwechselnd um 180° alternierend angeordnet, d.h. die jeweiligen Gase strömen in einer Zelle in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zu ihrer Nachbarzelle. Dadurch kommen jeweils der Zuführkanal für das Brenngas 10 und die Vorreformierungszone 3 einer Brennstoffzelle in Nachbarschaft mit der Nachverbrennungszone 5 und der Wärmeaustauschzone 13 der benachbarten Brennstoffzelle.
  • Durch die alternierende Zellanordnung wird erreicht, dass die energiefreisetzende (exotherme) Nachverbrennung die energieverbrauchende (endotherme) Reformierungsreaktion direkt beheizen kann, da sie unmittelbar nebeneinander, nur von der metallischen und gut wärmeleitenden Bipolarplatte 1 getrennt, angeordnet sind. Durch diesen Energiefluss kommt es zum schnellen Temperaturausgleich und Temperaturspitzen sowohl nach oben als auch nach unten werden im Brennstoffzellenstapel wirkungsvoll verhindert.
  • Das noch heiße Abgas wärmt auf dem Weg zum Zellaustritt in der Wärmeaustauschzone 13 über die beiden anliegenden Bipolarplatten 1 einerseits zuströmende Frischluft und andererseits zuströmendes Brenngas vor.
  • Für die beiden abwechselnden Zellausrichtungen sind beiderseitig jeweils eine Zuleitung für das Oxidationsmittel, eine Zuleitung für das Brenngas und ein Sammler für das Abgas vorzusehen, also in Summe sechs Sammelkanäle senkrecht zur Zellebene (3 und 4). Diese Sammelkanäle entstehen durch drei korrespondierende Durchbrüche, die in jeder Bipolarplatte, jeder Rahmenplatte und jeder Endplatte an beiden Enden angebracht sind. Mit 14 sind die Durchbrüche für die Zuleitung für das Oxidationsmittel, mit 15 die Durchbrüche für das Brenngas und mit 16 die Durchbrüche für den Sammler für das Abgas bezeichnet. Die Zuführkanäle für das Brenngas 10 und die Kanäle für das Oxidationsmittel 9 und die Abgaskanäle 13 zweigen von den Sammelkanälen 14, 15, 16 durch entsprechende Ausnehmungen in den Bipolarplatten 1a, 1b, den Rahmenplatten 2a, 2b und den nicht dargestellten Endplatten ab.
  • In den Brennstoffzellen gemäß 5 wird das befeuchtete Brenngas durch die gitterförmige Anordnung der Zuführkanäle 10 über die Anodenseite des Elektrolyten 6 verteilt. Hier ist die Anode porös und erfüllt gleichzeitig die Funktion des Reformers. Das Brenngas durchwandert die Anode 8. Dabei wird es reformiert und die elektrochemische Reaktion findet über den Elektrolyten 6 statt. Das verbrauchte Anodenrestgas sammelt sich in den Sammelkammern für das Anodenrestgas 18 und gelangt durch die Durchbrüche 19 in den Kanal für das Oxidationsmittel 9 der Nachbarbrennstoffzelle. Hier findet die Nachverbrennung statt.
  • 6 und 7 verdeutlichen die alternierende Anordnung der Brennstoffzellen gemäß der 5. Auch hier wechseln sich die Platten mit dem Luftstrom von links nach rechts und von rechts nach links ab. Zuoberst ist eine Bipolarplatte für den Gasstrom von links nach rechts an ihrer Unterseite 1c zu sehen, an die sich eine Rahmenplatte mit MEA 2c anschließt. Darauf folgt eine Bipolarplatte für den Gasstrom von rechts nach links an ihrer Unterseite 1d., gefolgt wiederum von einer Rahmenplatte 2c. Diese Anordnung setzt sich wie in 3 und 4 in der erforderlichen Anzahl fort.
    • 1
    Bipolarplatte
    1a
    Bipolarplatte für den Gasstrom rechts → links
    1b
    Bipolarplatte für den Gasstrom links → rechts
    1c
    Bipolarplatte für den Gasstrom rechts → links mit Sammelkammern
    1d
    Bipolarplatte für den Gasstrom links → rechts mit Sammelkammern
    2
    Rahmenplatte
    2a
    Rahmenplatte mit Funktionszonen links → rechts
    2b
    Rahmenplatte mit Funktionszonen rechts → links
    2c
    Rahmenplatte mit MEA
    3
    Reformierungszone
    4
    Stromerzeugungszone
    5
    Nachverbrennungszone
    6
    Elektrolyt
    7
    Kathode
    8
    Anode
    9
    Kanal für das Oxidationsmittel
    10
    Zuführungskanal für das Brenngas
    11
    Kanal für das Anodenrestgas
    12
    Wärmeaustauschzone
    13
    Abgaskanal
    14
    Durchbrüche für die Zuleitung für das Oxidationsmittel
    15
    Durchbrüche für die Zuleitung für das Brenngas
    16
    Durchbrüche für Sammler für das Abgas
    17
    Ausnehmungen
    18
    Sammelkammern für das Anodenrestgas
    19
    Durchbrüche durch die Bipolarplatten

Claims (9)

  1. Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverbrennung direkt in die Brennstoffzelle integriert ist.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal für die Abführung des Anodenrestgases und ein Kanal für das Oxidationsmittel vorgesehen sind, die unmittelbar im Anschluss an die Elektrochemische Reaktion in einer Nachverbrennungszone (5) zusammengeführt sind.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal für das Anodenrestgas (11) in den Kanal für das Oxidationsmittel (9) mündet.
  4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mündung des Kanals für das Anodenrestgas eine Vielzahl von Öffnungen angeordnet sind.
  5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mündung des Kanals für das Anodenrestgas ein poröser feuerfester Körper angeordnet ist.
  6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sammelkammern für das Anodenrestgas (18) vorgesehen sind, die mit dem Kanal für das Oxidationsmittel über Öffnungen (19) verbunden sind.
  7. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brennstoffzellen in der Wiese alternierend im Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, dass jeweils die Luft- und Brenngaseintrittseite einer Brennstoffzelle an die Nachverbrennungszone der nächsten Brennstoffzelle grenzt.
  8. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der alternierenden Anordnung der Brennstoffzellen außerdem eine Vorreformierungszone vorgesehen ist.
  9. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig des Brennstoffzelle je ein Sammelkanal für Brenngas, für Oxidationsmittel und für Abgas vorgesehen ist, der durch Durchbrüche in den Bipolarplatten, den Rahmenplatten und den Endplatten (14, 15, 16) gebildet ist und dass die Zuführkanäle für das Brenngas und das Oxidationsmittel und die Abgaskanäle durch Ausnehmungen (17), beginnend an den korrespondierenden Durchbrüchen in den Bipolarplatten, den Rahmenplatten und den Endplatten gebildet sind.
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